醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)課件：八年制 細(xì)胞骨架-上

1、第六章 細(xì) 胞 骨 架 （上） 北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院細(xì)胞生物學(xué)系杜曉娟細(xì)胞骨架與細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)Steps in keratinocyte movement細(xì)胞骨架與細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸細(xì)胞骨架與組織的抗機(jī)械應(yīng)力概 述 是指真核細(xì)胞中由蛋白纖維構(gòu)成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系，主要組成: 微管(Microtubule, MT)、微絲(Microfilament, MF)、中間纖維(Intermediate filament, IF) 細(xì)胞形態(tài)的改變和維持; 保持細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的有序性; 參與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)；細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸；細(xì)胞分裂和信號(hào)傳導(dǎo)等生命活動(dòng)密切相關(guān)。細(xì)胞骨架的概念：細(xì)胞骨架的功能:微絲(Microfilament,

2、 MF)微管(Microtubule, MT)、中間纖維(Intermediate filament, IF) 細(xì)胞骨架系統(tǒng)是“生物結(jié)構(gòu)自組織原則”研究中的一個(gè)典型范例，也是細(xì)胞中化學(xué)能轉(zhuǎn)為機(jī)械能的唯一場(chǎng)所。 細(xì)胞骨架研究的進(jìn)展后來免疫熒光顯微技術(shù)、改進(jìn)的電鏡技術(shù)、體外組裝技術(shù)、顯微注射技術(shù)、特異性藥物的發(fā)現(xiàn)，特別是近年激光共聚焦顯微鏡系統(tǒng)和綠色熒光蛋白的應(yīng)用大力推進(jìn)了細(xì)胞骨架的研究 。1924年：光學(xué)顯微鏡下觀察到一些纖維，命名為應(yīng)力纖維 ；1954年：在超薄切片的電子顯微鏡中首次觀察到微管 ；1964年：使用室溫下戊二醛固定方法，廣泛研究細(xì)胞骨架 ；第一節(jié) 微絲 (Microfilamen

3、t, MF)一、微絲的形態(tài)和組成二、微絲結(jié)構(gòu)及組裝三、微絲結(jié)合蛋白四、微絲的功能五、藥物對(duì)微絲的影響一 、微絲的形態(tài)和組成微絲由肌動(dòng)蛋白（actin）組成的4-7nm的纖維，肌動(dòng)蛋白與其結(jié)合蛋白相互作用，使微絲具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和多樣的功能。 在所有的真核細(xì)胞中，微絲（microfilament，MF）都參與形成細(xì)胞骨架和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。 肌動(dòng)蛋白（actin）構(gòu)成微絲的基本成分是肌動(dòng)蛋白，分子量為43kD，分為-、-和-肌動(dòng)蛋白。 -肌動(dòng)蛋白和收縮性的結(jié)構(gòu)相關(guān)；-肌動(dòng)蛋白位于細(xì)胞的前端，正是肌動(dòng)蛋白纖維聚合的地方。 G-actinF-actin游離狀態(tài)球狀肌動(dòng)蛋白（globular actin, G-

4、actin)微絲中纖維狀肌動(dòng)蛋白（fibrous actin, F-actin)肌動(dòng)蛋白存在方式二、 微絲結(jié)構(gòu)及組裝微絨毛的結(jié)構(gòu)模型細(xì)胞皮質(zhì)(Cortex)1. 微絲形成的結(jié)構(gòu)：血小板中的微絲組裝 （引自Cell Biology） 成核期（Nucleation phase)微絲組裝的兩個(gè)階段生長(zhǎng)期（Growth phase)2. 微絲的組裝 微絲的組裝過程成核 延伸 達(dá)到穩(wěn)態(tài) 微絲組裝中的ATP的作用微絲組裝的踏車現(xiàn)象(treadmiling)模型三 、微絲結(jié)合蛋白微絲結(jié)合蛋白可使微絲在束狀和網(wǎng)狀形式存在的基礎(chǔ)上，形成不同的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)有些微絲結(jié)合蛋白對(duì)微絲的組裝、解聚以及微絲張力起到調(diào)節(jié)作用微

5、絲結(jié)合蛋白：?jiǎn)误w結(jié)合蛋白通常影響ATP-肌動(dòng)蛋白；加帽蛋白結(jié)合到纖維的倒刺端或突出端，一些切斷蛋白也能加帽；交聯(lián)蛋白可以幫助形成微絲束或者網(wǎng)絡(luò). (參考TD. Pollad, WC. Eranshaw et al. Cell Biology, 2002)（一）肌動(dòng)蛋白單體結(jié)合蛋白 （二）肌動(dòng)蛋白纖維加帽蛋白（三）切斷肌動(dòng)蛋白纖維的蛋白（四）肌動(dòng)蛋白纖維交聯(lián)蛋白（五）側(cè)面結(jié)合蛋白（六）銜接子蛋白 三 、微絲結(jié)合蛋白四、 微絲的功能 肌肉收縮 構(gòu)成細(xì)胞支架、維持細(xì)胞形態(tài) 參與細(xì)胞分裂（胞質(zhì)分裂環(huán)） 參與細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)輸 參與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo) 五、 藥物對(duì)微絲的影響細(xì)胞松弛素（cytochalasin

6、，常用B和D兩類） ：抑制肌動(dòng)蛋白纖維的聚合。加到活細(xì)胞中，肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架消失，細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和細(xì)胞動(dòng)力學(xué)受到抑制。 鬼筆環(huán)肽（phalloidin）：只結(jié)合于F肌動(dòng)蛋白，穩(wěn)定微絲而抑制解聚。熒光標(biāo)記的鬼筆環(huán)肽常用于肌動(dòng)蛋白纖維染色。 第二節(jié) 微管（Microtubules）微管的電鏡照片微管免疫熒光染色 第二節(jié) 微管（Microtubules）一、微管的形態(tài)和組成二、微管的組裝三、微管結(jié)合蛋白四、微管的功能五、微管特異性藥物一、微管的形態(tài)和組成微管組成：1.-微管蛋白（-tubulin）2.-微管蛋白（-tubulin）3. g-微管蛋白4. 微管結(jié)合蛋白（microtubule associa

7、ted protein，MAPs）微管排列：在多數(shù)細(xì)胞中呈放射狀分布。微管蛋白（tubulin） 微管組裝的基本單位：-微管蛋白和-微管蛋白形成的異二聚體-微管蛋白：結(jié)合一個(gè)GTP，不發(fā)生水解，稱為N-位點(diǎn)（nonexchangable site, N-site）-微管蛋白：結(jié)合的GTP可以水解，稱為E-位點(diǎn) （exchangeable site, E-site）-微管蛋白上結(jié)合的GTP對(duì)微管的組裝影響很大 圖10-2 - 和-微管蛋白二聚體結(jié)構(gòu)模式圖(參考TD. Pollad, WC. Eranshaw et al. Cell Biology, 2002)微管在細(xì)胞內(nèi)的三種存在形式： 單管A

8、B二聯(lián)管BAC三聯(lián)管 1313 + 1013 + 10 + 10單管不穩(wěn)定，隨細(xì)胞周期發(fā)生變化間期：微管自核發(fā)出，向核四周伸展 止于細(xì)胞質(zhì)膜；或延伸至細(xì)胞偽足。有絲分裂期：新組裝微管形成紡錘絲，在赤道板中央把染色體拉向兩極；細(xì)胞分裂后，紡錘絲消失。子細(xì)胞出現(xiàn)新組裝的微管。二聯(lián)管和三聯(lián)管纖毛的結(jié)構(gòu)圖 微管的類型 存在方式 原纖維 穩(wěn)定性 分 布 單 管 13 不穩(wěn)定 胞質(zhì)、紡錘體 二聯(lián)管 13+10 穩(wěn) 定 纖毛和鞭毛的桿部 三聯(lián)管 13+10+10 穩(wěn) 定 纖毛和鞭毛的基部、 中心粒 二、 微管的組裝微管亞單位縱向單列重復(fù)排列形成原纖維（protofilament），所有的二聚體方向相同，-微

9、管蛋白朝向正極。原纖維聯(lián)結(jié)組成圓筒狀微管1、 微管組裝及其體外動(dòng)力學(xué) 微管的體外組裝大致上分成成核和延伸過程：首先一些二聚體形成短的原纖維，經(jīng)過在兩端和側(cè)面增加二聚體而使之?dāng)U展成片狀帶，當(dāng)片狀帶加至13根原纖維時(shí)即合攏成一段微管，然后二聚體再不斷聚合到末端上使之延伸。 微管裝配的成核和延長(zhǎng)過程 GTP-微管蛋白二聚體結(jié)合到微管末端后，-微管蛋白上的GTP會(huì)水解成GDP，GDP-微管蛋白的親和性較弱，容易從末端解聚。 GTP二聚體的聚合速度大于水解速度時(shí)，在微管末端形成一段GTP微管蛋白，稱為GTP-帽（GTP-cap）。 在穩(wěn)定狀態(tài)下，單獨(dú)的微管緩慢伸長(zhǎng)直到隨機(jī)轉(zhuǎn)變到迅速縮短階段，這種轉(zhuǎn)變稱為

10、災(zāi)變（catastrophe）。當(dāng)微管縮短時(shí)，微管以大約每秒1000個(gè)二聚體的速度從末端掉下來，所以多聚體每秒縮短超過0.5um。迅速縮短行為被另一隨機(jī)事件終止，稱為修復(fù)（rescue），微管又以穩(wěn)定速度伸長(zhǎng)。 災(zāi)變（catastrophe）與 修復(fù)（rescue）微管的體外動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性(參考TD. Pollad, WC. Eranshaw et al. Cell Biology, 2002)體內(nèi)微管發(fā)生處為微管組織中心（microtubule organizing center, MTOC），微管由微管組織中心發(fā)出，正端朝向外圍，負(fù)極錨定在MTOC。微管的組織中心: 中心體、 纖毛和鞭毛的基

11、體2、 體內(nèi)微管裝配 大部分動(dòng)物細(xì)胞中微管組織中心是中心粒周圍的基質(zhì)，主要活性成分是微管蛋白的異構(gòu)體-微管蛋白及其結(jié)合蛋白。 三、微管結(jié)合蛋白 （microtubule associated protein，MAP） 是一類可與微管蛋白結(jié)合并與微管蛋白共同組成微管系統(tǒng)的蛋白，主要功能是調(diào)節(jié)微管的特性并將微管 連接到特異的細(xì)胞器上。MAP1: 對(duì)熱敏感，見于神經(jīng)軸突和樹突中，在微管間形成橫橋，但并不成束。 Tau: 只存在于軸突中。MAP2: 僅見于樹突中，在微管間及微管與中間纖維間形成橫橋，能使微管成束。具有熱穩(wěn)定性，與依賴于cAMP的蛋白激酶有高度親和性。 MAP4: 廣泛存在于各種細(xì)胞中，

12、具高度熱穩(wěn)定性。四、 微管的功能（一）維持細(xì)胞的形態(tài) 1. 鞭毛和纖毛中心體是大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞最主要的微管組織中心 它具有以下兩個(gè)顯著特點(diǎn)：（1）不具有膜包被。（2）以半保留形式進(jìn)行復(fù)制，需要超過一個(gè)細(xì)胞周期的時(shí)間完成復(fù)制。2. 中心體中心體的結(jié)構(gòu)中心體主要由兩個(gè)垂直排列的中心粒組成，由中心粒周圍組織（PCM）包圍。B.中心粒結(jié)構(gòu)A.細(xì)胞有絲分裂末期，被中心粒周圍物質(zhì)包圍的中心粒每個(gè)中心粒是由九個(gè)三聯(lián)體微管組成的長(zhǎng)0.5um，直徑0.2um 的圓柱體。中心體的復(fù)制 中心體半保留復(fù)制的周期和細(xì)胞周期緊密聯(lián)系中心體與癌癥惡性細(xì)胞中的中心體異常包括：體積變大（是正常細(xì)胞的510倍）、非正常的形狀、數(shù)目的增多或中心粒的消失。 多例癌癥中心體的異常：細(xì)胞未能完成分裂，產(chǎn)生了四倍體細(xì)胞，它們具有兩倍的DNA含量，和兩倍數(shù)目的中心體。（二）參與細(xì)胞的物質(zhì)運(yùn)輸（教材p130） 1. 神經(jīng)元軸突運(yùn)輸2. 色素顆粒的運(yùn)輸（三）參與細(xì)胞器的運(yùn)動(dòng) 細(xì)胞分裂時(shí)染色體的運(yùn)動(dòng)（四）參與細(xì)胞吞噬和融合（三）參與信息傳遞 細(xì)胞吞噬異物和病菌時(shí)蛋白激酶信號(hào)傳導(dǎo)通路五、 微管特異性藥物微管蛋白二聚體能結(jié)合幾種具治療作用的植物堿和合成的化學(xué)物質(zhì)。 秋水仙素（Cochicine）和nocodazole（合成化學(xué)物）能結(jié)合到游離的微管蛋白二聚體上，降低其結(jié)合到微管末端的親和力